施工階段建筑施工模板支撐體系可靠性研究

李德衡 （山西路橋景泰房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

從建筑工程的全生命周期角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)概率并不是均勻分布的，在建筑運(yùn)營(yíng)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)概率遠(yuǎn)小于施工階段[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近20年來(lái)工程結(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在施工期間的比例高達(dá)93.9%，平均達(dá)到78.3%，而支撐模板體系坍塌導(dǎo)致的工程事故占比達(dá)到60%，造成重大的財(cái)產(chǎn)損失，也給人民生命安全造成威脅，成為建筑工程施工階段需要迫切解決的問題[3]。支撐模板體系不僅承受著自身的重量，而且也承受著混凝土早期強(qiáng)度自然增長(zhǎng)傳遞的荷載[4]。但是由于模板支撐體系的穩(wěn)定性和可靠性受到諸多因素的影響，諸如模板支撐體系自身的搭設(shè)質(zhì)量、施工進(jìn)度以及各類工程立體交叉施工等，導(dǎo)致施工期間模板支撐體系事故風(fēng)險(xiǎn)的控制與評(píng)估十分困難，日益受到研究者的關(guān)注[5]。

1 工程概況

山西路橋易和苑小區(qū)項(xiàng)目位于臨汾市堯都區(qū)河西新城，本項(xiàng)目總用地面積61627.8m2，其中0219-01 地塊用地面積55311.5m2，建筑密度不大于25%，容積率不大于2.9，綠地率不小于35%，控制高度為100m；0291-02 地塊用地面積6316.3m2，建筑密度不大于35%，容積率不大于1.2，綠地率不小于30%，控制高度為20m。建設(shè)內(nèi)容由10 棟住宅建筑及地下車庫(kù)組成，其中4 棟28 層、3棟18 層、2 棟17 層、1 棟17+1 層，總戶數(shù)1429 戶。地上建筑面積160150m2，地下建筑面積40563m2，總建筑面積200713m2，建筑密度14.7%，容積率2.9，綠地率36.5%，停車位1278 個(gè)。2棟6 層商業(yè)樓，地下一層停車場(chǎng)，總建筑面積6307m2，建筑密度35%，容積率1.2，綠地率20%，停車位76個(gè)。

2 建筑工程施工階段支架模架穩(wěn)定性及承載能力研究

與制造業(yè)不同，建筑工程施工是一個(gè)較為粗放的生產(chǎn)過(guò)程，其工作環(huán)境為露天環(huán)境，對(duì)勞動(dòng)力需求大，而建筑工程施工模板支撐體系搭建涉及的工作量大，發(fā)生錯(cuò)誤的概率高，比如支撐體系缺乏設(shè)置剪刀撐、采用的立桿出現(xiàn)彎曲或者立桿的底部沒有做地基處理也無(wú)墊塊等，導(dǎo)致建筑支架模板在搭設(shè)的過(guò)程中容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和承載力不足的現(xiàn)象，引發(fā)工程事故[6]。

在建筑工程的模板支撐體系中，最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式為扣件式鋼管支模架，其結(jié)構(gòu)存在扣件連接，為半剛性連接，如果存在扣件松弛或者初始缺陷，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和工作性狀將受到影響，在搭設(shè)高度較大的情況下容易出現(xiàn)桿件的線性屈曲和非線性屈曲等現(xiàn)象[7]。一般而言，模板支撐體系的線性屈曲判斷準(zhǔn)則服從方程（1）～（3）的表達(dá)形式。

式中，K0為模板支撐體系在搭設(shè)完成的初始剛度矩陣；λ為鋼管桿件屈曲特征值；KG為模板支撐體系的幾何剛度矩陣；N為形函數(shù)矩陣；B為應(yīng)變矩陣；D為結(jié)構(gòu)彈性矩陣；X為坐標(biāo)方向；v為X方向上的位移；S為應(yīng)力矩陣。

模板支撐體系的非線性屈曲判斷準(zhǔn)則服從方程（4）的表達(dá)形式[8]。

式中，KT為切線剛度矩陣；δ為桿件位移；P為模板支撐體系的承載力。

3 施工階段模板支撐體系可靠性影響因素

在扣件式鋼管支模架中，模板支撐體系穩(wěn)定性和可靠性受到多種因素的影響，其中鋼管的幾何形狀、扣件螺栓擰緊扭力矩和支撐體系搭設(shè)參數(shù)為最為敏感的影響因素。為此，對(duì)模板支撐體系采取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和概率統(tǒng)計(jì)的方式，研究這些因素對(duì)施工模板支撐體系可靠性的影響程度。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模板支撐鋼管隨機(jī)抽取15組進(jìn)行測(cè)量，每組6根鋼管，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行求解平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。從表1 中可以看出，模板支撐系統(tǒng)中的外直徑平均值為48.17mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.412，滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)鋼管外直徑的要求。模板支撐體系鋼管壁厚平均值為3.278mm，對(duì)其正態(tài)分布直方圖分析如圖1 所示，從圖中可以看出鋼管壁厚的離散型較大，在3.0～3.5mm 之間的分布頻次均較高。鋼管的橢圓度平均值整體為1.0，標(biāo)準(zhǔn)差較小，數(shù)值為0.010，表明鋼管的圓度較好，橢圓度的分布較為集中，滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橢圓度的要求。鋼管垂直度方面，垂直度平均值為3.2%，超出了現(xiàn)行規(guī)范的要求，在施工時(shí)需要特別糾正鋼管的垂直度，避免彎曲鋼管的使用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。鋼管切斜偏平均值整體為1.019，表明鋼管的斷面平均有1.019mm的傾斜。

圖1 壁厚的直方圖分布

表1 模板支撐鋼管統(tǒng)計(jì)結(jié)果

扣件式鋼管支模架依賴各個(gè)扣件螺栓將水平鋼管和豎直鋼管進(jìn)行擰緊連接，但由于在施工過(guò)程中螺栓的扭緊力矩受到人為因素影響，使得扣件螺栓的扭緊扭矩力大小不一。為此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模板支撐體系的扣件螺栓扭緊扭矩力進(jìn)行實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，扣件螺栓扭緊扭矩力服從指數(shù)分布，隨著扣件螺栓扭緊力矩的增加，其頻次逐步減小。95%保證率的扣件螺栓扭緊力矩值為50kN·m，但其離散性較大，對(duì)于扣件螺栓扭緊力矩值小于10kN·m 的頻次仍較集中，其中扭緊力矩為0kN·m 時(shí)，頻次為85；扭緊力矩為5kN·m 時(shí)，頻次為40；而扭緊力矩為10kN·m 時(shí)，頻次為61。因此，在建筑施工模板支撐體系控制中，應(yīng)保證扣件螺栓扭緊力矩不宜過(guò)小，避免扣件松弛而導(dǎo)致支撐體系失穩(wěn)。

圖2 扣件螺栓擰緊力矩的直方圖

為了研究支撐體系搭設(shè)參數(shù)對(duì)模板支撐體系穩(wěn)定性和可靠性的影響，選取立桿間距和立桿步距2 個(gè)搭設(shè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)抽取15 組進(jìn)行測(cè)量，每組6根鋼管，對(duì)測(cè)量值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行相除，并進(jìn)行求解平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表2所示。

表2 立桿間距和立桿步距實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值比值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表中可以看出，立桿間距的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之比的平均值為1.05，表明立桿間距的搭設(shè)較為理想，與設(shè)計(jì)較為接近，但標(biāo)準(zhǔn)差偏大，存在一定的離散性。這是因?yàn)樵诓贾昧U時(shí)，需要避開結(jié)構(gòu)的梁、柱等位置，導(dǎo)致其存在一定的間距加密或加大，而立桿步距的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之比的平均值為0.93，且標(biāo)準(zhǔn)值較小，為0.03，表明立桿步距搭設(shè)的實(shí)際值略小于設(shè)計(jì)值。

4 施工階段模板支撐體系穩(wěn)定性計(jì)算

為了研究建筑施工模板支撐體系的穩(wěn)定性和承載力變化，采用數(shù)值模擬手段，建立7 種不同的設(shè)計(jì)工況，其中工況1模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.2m×0.85m×0.85m，工況2 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.3m×0.90m×0.90m，工況3 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.4m×1.00m×1.00m，工況4 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.5m×1.05m×1.05m，工況5 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.6m×1.10m×1.10m，工況6 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.7m×1.20m×1.20m，工況7模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.8m×1.30m×1.30m，建立的數(shù)值模型如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 基于有限元的施工模板支撐體系計(jì)算模型

圖4 施工模板支撐體系承載力計(jì)算結(jié)果

從圖4 中可以看出，隨著增加模板支撐體系的步距，模板支撐體系的線性屈服承載力和非線性屈服承載力整體上呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，且線性屈曲承載力比非線性屈曲承載力大，線性屈曲承載力與非線性屈曲承載力的比值呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，比如工況1 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.2m×0.85m×0.85m，其線性屈曲承載力為30.77kN，非線性屈曲承載力為25.08kN，而工況7模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.8m×1.30m×1.30m，其線性屈曲承載力為60.60kN，非線性屈曲承載力為46.95kN，增加幅度分別84.93%、87.19%。

5 結(jié)論

以山西路橋易和苑小區(qū)項(xiàng)目施工模板支撐體系為研究對(duì)象，采用有限元分析方法對(duì)模板的穩(wěn)定性及位移進(jìn)行計(jì)算，得到以下幾個(gè)結(jié)論。

①研究鋼管的幾何形狀、扣件螺栓擰緊扭力矩和支撐體系搭設(shè)參數(shù)，表明除鋼管的外直徑和橢圓度外，壁厚、垂直度和切斜偏差不滿足規(guī)范要求，扣件螺栓擰緊扭矩力服從指數(shù)分布，立桿間距的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之比的平均值為1.05，而立桿步距的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之比的平均值為0.93。

②隨著增加模板支撐體系的步距，模板支撐體系的線性屈服承載力和非線性屈服承載力整體上呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，線性屈曲承載力比非線性屈曲承載力大，線性屈曲承載力與非線性屈曲承載力的比值呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。